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A study on atmospheric vapor isotope

Title
A study on atmospheric vapor isotope
Other Titles
수증기 동위원소에 대한 연구 : 한반도 서해안에서 수분이동의 의미
Authors
김송이
Issue Date
2018
Department/Major
대학원 과학교육학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
이정훈
Abstract
This study was the first performed in Korea to directly collect water vapor and analyze the stable isotope of water vapor. Water vapor isotopes can be useful for water circulation. Using water vapor isotope, where the water vapor came from and what mechanism it processed. It can be used to study especially during dry periods. A cold trap method was used in this study. The cold trap sampling method is a method: (1) Impinger connected pump puts into an extreme low-temperature material. (2) Atmospheric water vapor is collected in a low-temperature environment and changed into a solid phase. A series connection suggests that the cold trap sampling method is suitable for lighting effect on the fractionation and increasing the extensibility in field experiments. Using the cold trap method, which is reliable in measurement, water vapor was collected from December 2015 to February 2016 in the west coast of Korea at winter season. And isotopic composition was obtained at KOPRI (Korea Polar Research Institute). During this study period, the oxygen isotopes of water vapor were -34.04 ‰ to -15.27 ‰, and hydrogen isotopes of water vapor were -215.8 ‰ to -100.2 ‰, respectively. A linear regression curve was used to confirm the association of water vapor isotope and meteorological variables (temperature, relative humidity, and absolute humidity (mixing ratio)). The most reliable correlation was hydrogen isotopic composition and log q. The δ-q relationship was able to trace which mechanism the water vapor processed by using the mixing model and Rayleigh model. The depleted isotopic composition and the dry air flux are characteristic of the northern Asian air mass in winter. And the enriched isotopic composition and moist air flux are characteristic of evaporated from the Yellow Sea. δ-q relationship with theoretical models suggests the mixing two different source. In a cold wave period, main flux (dry air) mix less mixing with ocean flux. And, in an above-zero period, dry air mix with the evaporation of seawater. As the same method of collecting water vapor in the winter season, water vapor was collected in summer from July to August 2016, and isotopic composition was obtained. The isotopic composition ranged from -19.42 ‰ to -12.87 ‰ for oxygen isotopes and from -137.9 ‰ to -90.1 ‰ for hydrogen isotopes, respectively. A linear regression curve was used to investigate the correlation between meteorological variables. The most reliable correlation shows that the relationship between relative humidity and d. It is a correlation that relates when evaporation at the ocean. So, I used the δ-q relationship with theoretical models to interpret how many affects to evaporation of seawater. It was related to evaporating at sea. It can be estimated that the water vapor evaporated from the sea near the blast furnace has entered the west coast near the west coast.The temperature and absolute humidity in summer and winter show a distinctgap. Likewise, it is possible to identify isotopic differences in summer during winter. The δ-q relationship confirmed the seasonal variation. In both seasons, mixing model shows that the evaporation was mixed in the ocean. The water vapor isotope in the Korean peninsula was influenced by the evaporation of the nearby coastal area and affected other weather variables depending on the degree of influence. In this study, I interpret the mechanism of water vapor in the coastal area of Korean Peninsula and confirm the influence of the water vapor on the meteorological variables. Furthermore, it is expected that it will be helpful to verify the model verification. ;물 순환을 이해하기 위해서 기단의 발원지와 기단의 생성 기작을 알아야 한다. 그의 일환으로 1950년대부터 강수와 수증기 연구가 진행되어 왔으며 특히 강수에 대한 연구가 활발하게 이루어져왔다. 강수 동위원소의 한계와 물 순환 시스템에서 수증기는 언제나 영향을 끼치기 때문에 수증기 동위원소 연구를 필요하다. 뿐만 아니라 수증기와 쌓인 눈과의 상호작용을 아는 것은 정밀한 고기후 연구에 도움이 된다. 근래 들어 기술의 발달로 수증기에 대한 연구가 활발히 이루어져왔다. 국내 수증기 동위원소 연구를 정착하기 위하여 본 연구가 수헹되었다. 본 연구에서는 수증기 동위원소 연구를 하기 위해 직접 수증기를 포집하는 방법인 저온 채집 방법을 사용하였다. 저온 채집 방법은 저온 물질 안에 펌프로 임핀저를 넣어 외부의 수증기가 저온 환경을 만나 고체 상으로 포집되는 방법이다. 포집율을 확인하기 위하여 같은 저온 환경에 임핀저 두 개를 직렬로 연결하여 1,2차 포집을 할 수 있는 직렬 연결 실험을 하였다. 실험 결과는 전체 포집양의 99% 이상이 1차 임핀저에서 포집되었다. 그리고 1차에서 포집된 포집 양을 고려한 동위원소 값과 1,2차 합쳐진 동위원소 값의 차이는 분석한 기기 오차 범위에 근사했다. 이는 저온 채집 방법의 정확도와 야외 실험 적용 확대성을 높여주는 결과이다. 채집의 신뢰도가 확보된 저온 채집 방법을 이용하여 국내서 해안에서 2015년 12월부터 2016년 2월까지 겨울철 수증기를 채집하고 극지연구소에서 분석 장비를 활용하여 동위원소 값을 얻었다. 수증기 동위원소 조성 중 산소 동위원소 조성는 -34.04‰ ~ -15.27‰이었고, 수소 동위원소 조성는 -215.8‰ ~ -100.2‰이었다. 동위원소의 변화는 기상 변수 중 온도와 같은 양상을 보였다. 가장 높은 상관 관계를 보이는 것은 수소 동위원소 조성과 log q이었다. 1월 한파 동안에는 겨울철 북아시아 기단의 특징과 함께 낮은 동위원소 조성을 보였고 이상 기온 기간은 높은 동위원소 조성과 수증기 양이 많은 것으로 보였다. 이를 겨울철 수증기를 포집한 방법과 마찬가지로 2016년 7월부터 8월까지 여름철에도 수증기를 포집하고 동위원소 조성을 얻었다. δ-q그래프에 관측값과 이론적인 틀을 함께 도시하여 이상 기온동안 인근 해역에서 증발이 일어나 기단에 영향을 끼친 것을 확인할 수 있었다. 여름철도 같은 방법으로 2016년 7월부터 8월까지 포집 실험을 수행하여 동위원소 조성을 얻었다. 동위원소 조성의 범위는 산소 동위원소 조성의 경우 –19.42‰ ~ -12.87‰이었고 수소 동위원소 조성의 경우 -137.9‰ ~ -90.1‰이었다. 동위원소 조성을 겨울철에 비해 높은 값을 보이며 변화폭도 크지 않았다. 기상 변수와의 관계는 상대습도와 d가 높은 상관성을 보였으며, 기단이 바다에서 증발되었음을 시사한다. 본 연구를 통해 2015/16년 한반도 서해안에서 측정한 수증기가 어떤 기작을 겪는지 추정할 수 있고 그에 따른 기상 변수와의 관계를 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 국내 수증기 동위원소 채집 시스템을 구축하였다. 그리고 계절에 따른 동위원소 차이를 확인하고 연구 지역 근해의 증발이 동위원소 조성에 어떠한 변화를 일으켰는지 확인하였다. 나아가 수증기 동위원소 관측 연구가 순환 모델 검증 연구에 도움이 될 것이다.
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